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第六章 化学反应与能量
第二节 化学反应的速率与限度
1、能从化学反应速率和限度的角度解释生产、生活中简单的化学现象。
2、能说出化学反应速率的表示方法，能通过实验来探究化学反应速率的影响因素，能初步解释化学实验和化工生产中反应条件的选择问题。
3、能描述化学平衡状态，初步判断化学反应是否达到平衡。
学习目标
10NaN3+2KNO3＝K2O+5Na2O+16N2↑
几个月
在地表以下100多公里处富含碳元素的矿层，5000MPa和约1200oC环境下经过漫长的过程最终形成的钻石。
不足0.1秒
至少10亿年
生活中的化学反应
化学反应的快慢
(化学反应速率)
了解化学反应
速率的概念
知道影响化学
反应速率的因素
问题：如何描述化学反应的快慢？
(1)定性研究：
(2)定量研究：
根据反应现象剧烈程度判断
以合理数据做判断
新课导入：研究化学反应的新视角
(1)定性研究：根据反应现象剧烈程度判断
思考：如何定性的描述化学反应的快慢？
气泡逸出快慢、反应物消失的快慢、浑浊程度、颜色变化、温度变化……
(2)定量研究：以合理数据做判断
思考：生活中用什么方式来表示物体运动的快慢？
新课导入：研究化学反应的新视角
(2)定量研究：以合理数据做判断
生活中用什么方式来表示物体运动的快慢？
学科链接
v＝
S
t
化学反应过程中哪些物理量发生了变化？
知识迁移
反应物、生成物浓度
(物质的量浓度)
新课导入：研究化学反应的新视角
1、化学反应速率
用来衡量化学反应进行快慢的物理量。
通常用单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量(均取正值)来表示。
v ＝
c
t
(B)
(1)概念：
(2)表示方法：
(3)计算公式极单位：
(B)
单位： mol/(L·s) 或 mol/(L·min)
mol·L 1·s 1 或 mol·L 1·min 1
一、化学反应的速率
例、在某一化学反应里，反应物A的浓度在10 s内从4.0 mol/L变成1.0 mol/L。在这10 s内A的化学反应速率为多少？
v(A)＝
c(A)
t
＝
4.0 mol/L－1.0 mol/L
10 s
＝0.3 mol/(L·s)
反应速率指一段时间内的平均速率！
问：第10s的反应速率为多少？
无法确定
一、化学反应的速率
(1)写出有关反应的化学方程式；
(2)标出各物质的起始量、变化量、某时刻量；
(3)根据已知条件列方程式计算。
步
骤
例： m A + n B ＝ p C + q D
起始(mol/L)：
变化(mol/L)：
某时刻(mol/L)：
a b 0 0
mx
nx px qx
a－mx
b－nx px qx
一、化学反应的速率
基本关系
①变化量与方程式中各物质的化学计量数成比例
②转化率α
α(A)＝
A的变化量
A的起始量
×100%
例： m A + n B ＝ p C + q D
起始(mol/L)：
变化(mol/L)：
某时刻(mol/L)：
a b 0 0
mx
nx px qx
a－mx
b－nx px qx
一、化学反应的速率
例、在2 L的密闭容器中，加入1 mol N2和3 mol H2，发生 N2＋3H2＝2NH3 ，在2 s末时，测得容器中含有0.4 mol的NH3，求该反应的化学反应速率。
分析：三段法 N2 ＋ 3H2 ＝ 2NH3
起始浓度(mol/L)
2s末浓度(mol/L)
变化浓度(mol/L)
0.5 1.5 0
0.2
0.2
0.3
0.1
0.4
1.2
v(H2)＝0.15mol/(L·s)
v(N2)＝0.05mol/(L·s)
v(NH3)＝0.1mol/(L·s)
特点：v(N2) : v(H2) : v(NH3)＝1 : 3 : 2
一、化学反应的速率
温馨提示：
(3)v指一段时间内的平均反应速率，取正值。
(1)描述v时要指明具体物质。
(2)不能用固体或纯液体来表示化学反应速率。
(4)同一个化学反应中，用不同物质来表示其反应速率时，化学反应速率之比等于化学计量数之比
即：对于反应mA(g)＋nB(g)＝pC(g)＋qD(g)，
v(A) : v(B) : v(C) : v(D)＝m : n : p : q
一、化学反应的速率
练、已知：4NH3(g)＋5O2(g) ＝ 4NO(g)＋6H2O(g)，若反应速率分别用 v(NH3)、v(O2)、v(NO)、v(H2O)表示，则正确的关系式为(　　)
A. 4v(NH3)＝5v(O2) B. 5v(O2)＝6v(H2O)
C. 2v(NH3)＝3v(H2O) D. 4v(O2)＝5v(NO)
D
一、化学反应的速率
练、某温度时，在2 L的容器中，X 、Y、 Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图。由图可得该反应的化学方程式为______________，反应开始至2 min，Z的平均反应速率为________。
一、化学反应的速率
例3.反应A+3B=2C+2D在四种不同情况下的反应速率分别为：① v(A)=0.15mol/(L·s)、② v(B)=0.6mol/(L·s)
③ v(C)=0.4mol/(L·s)、④ v(D)=0.45mol/(L·min)
则该反应在不同条件下速率顺序是______________
分析：比较某一反应的快慢，首先考虑单位，再转换成同一物质进行比较。
②＝③﹥①﹥④
一、化学反应的速率
(1)基准法：①若单位不统一，要换算成相同的单位；
②换算成同一物质来表示的反应速率，再比较数值的大小。
(2)比值法：对于反应aA(g)＋bB(g)＝cC(g)＋dD(g)，比较
则说明用A表示
的化学反应速率大于用B表示的化学反应速率。
v(A)
a
v(B)
b
与 ，若 ﹥
v(A)
a
v(B)
b
同一反应用不同物质表示其v大小比较方法：
一、化学反应的速率
2、影响化学反应速率的因素
(1)内因：
如：Na、Mg、Al与水反应的速率由大到小的顺序为Na﹥Mg﹥Al 。内因是影响物质化学反应速率的决定性因素。
(2)外因：
①催化剂：
催化剂可以改变化学反应速率，使用不同催化剂时，催化效率可能不同。
反应物本身的性质
一、化学反应的速率
2、影响化学反应速率的因素
(2)外因
教材P43·探究：影响v的因素——②反应温度
实验一：在两支大小相同的试管中均加入2 mL 5% H2O2溶液，同时滴入2滴1 mol/L FeCl3溶液。待试管中均有适量气泡出现时，将其中一支试管放入盛有冷水的烧杯中，另一支试管放入盛有热水的烧杯中，观察现象并进行对比。
对比试验：注意控制变量
一、化学反应的速率
实验一：探究反应温度对化学反应速率的影响
一、化学反应的速率
教材P43·探究：影响v的因素——②反应温度
实验一：在两支大小相同的试管中均加入2 mL 5% H2O2溶液，同时滴入2滴1 mol/L FeCl3溶液。待试管中均有适量气泡出现时，将其中一支试管放入盛有冷水的烧杯中，另一支试管放入盛有热水的烧杯中，观察现象并进行对比。
不同温度环境
冷水
热水
实验现象
冷水中产生气泡的速率较慢
热水中产生气泡的速率较快
实验结论：当其他条件相同时，升高温度，化学反应速率增大；降低温度，化学反应速率减小
一、化学反应的速率
探究：影响v的因素——③反应物浓度
实验二：在两支大小相同的试管中各加入5mL0.1mol/L盐酸和5mL1mol/L盐酸。再分别向两支试管中加入等质量等表面积的铁片，观察现象并进行对比。
不同浓度环境
0.1mol/L
1mol/L
实验现象
铁片表面产生气泡的速率较慢
铁片表面产生气泡的速率较快
实验结论：当其他条件相同时，增大反应物浓度，化学反应速率增大；减小反应物浓度，化学反应速率减小
注：浓度对化学反应速率的影响只适用于在溶液中或有气体参加的反应。对于纯液体或固体物质，其浓度可视为常数，其量的改变不会影响化学反应速率。
一、化学反应的速率
练、把下列四种X溶液分别加入四个盛有10 mL 2 mol/L盐酸的烧杯中，均加水稀释到50mL，其中化学反应速率最快的是( )
A. 10℃ 20 mL 3 mol/L的X溶液
B. 20℃ 30 mL 2 mol/L的X溶液
C. 20℃ 10 mL 4 mol/L的X溶液
D. 10℃ 10 mL 2 mol/L的X溶液
B
一、化学反应的速率
探究：影响v的因素——④固体反应物的表面积
实验三：在两支大小相同的试管中均加入10 mL 1mol/L盐酸。再向两支试管中分别加入1 g块状大理石和 1 g粉末状大理石 ，观察现象并进行对比。
不同固体表面积
块状大理石
粉末状大理石
实验现象
块状大理石的试管中产生气泡的速率较慢
粉末状大理石的试管中产生气泡的速率较快
结论：当其他条件相同时，增大固体反应物的表面积，化学反应速率增大；减小固体反应物的表面积，化学反应速率减小。
一、化学反应的速率
探究：影响v的因素——⑤压强
思考：某容积可变的密闭容器盛有气体，对容器加压，则容器容积怎么变？气体的浓度会改变吗？
结论一：对于无气体参加的反应，改变压强时，化学反应速率基本不变。
结论二：对于有气体参加的反应，改变压强时，化学反应速率可能发生改变。
注意：压强对v的影响实质上是浓度对v的影响
分析思路：压强的改变是否会引发反应物浓度的变化
一、化学反应的速率
探究：影响v的因素——⑤压强(有气体参与的化学反应)
提示：若无特殊说明，压强的改变一律是通过改变反应容器的容积来实现的。
增大压强
反应物浓度增大
化学反应速率增大
减小压强
反应物浓度减小
化学反应速率减小
Ⅰ、恒温时：
一、化学反应的速率
练、反应C(s)＋H2O(g)＝CO(g)＋H2(g)在一可变容积的密闭容器中进行，下列条件的改变对其反应速率几乎无影响的是( )(双选)
A. 增加C的量
B. 将容器的体积缩小一半
C. 保持体积不变，充入N2使体系压强增大
D. 保持压强不变，充入N2使容器体积增大
AC
一、化学反应的速率
Ⅱ、恒温恒容时
①充入气体反应物：P_____、c______、v _____；
②充入惰性气体：P_____、c______、v _____。
Ⅲ、恒温恒压时
充入惰性气体：P_____、c______、v _____。
探究：影响v的因素——⑤压强(有气体参与的化学反应)
增大
增大
增大
增大
不变
不变
不变
减小
减小
影响v的因素——⑥形成原电池
如：锌粒与稀硫酸的反应中，在其他条件相同时，滴入几滴CuSO4溶液能增大H2的生成速率(构成铜锌原电池)
一、化学反应的速率
(3)其他影响因素：反应物状态、光照、超声波、电磁波、溶剂等
2、影响化学反应速率的因素
(1)内因：反应物本身的性质
(2)外因：催化剂、反应温度、反应物浓度、固体反应物表面积、压强、形成原电池
一、化学反应的速率
影响因素 前提 v 注意事项
外 因 浓 度 其 他 条 件 相 同 时 增大反应物浓度
减小反应物浓度
温 度 升高温度
降低温度
催化剂 使用催化剂
压 强 增大压强
减小压强
增大固体反应物接触面积
增大
减小
增大
减小
增大
减小
常增大
固体或纯液体的浓度视为常数，改变用量，化学反应速率不变
无论是吸热反应还是放热反应，升高温度v均增大，降低温度v均减小
具有选择性和专一性
通过改变容器容积改变压强(有气体参与)
增大
常见的四种影响化学反应速率的因素的比较
练、一定量的盐酸跟过量的铁粉反应时，为了减慢反应速率，而不影响生成H2的总量，可向其中加入适量的( )
A. Na2CO3晶体 B. 水
C. CuSO4晶体 D. CH3COONa晶体
一、化学反应的速率
练、把锌片投入盛有稀硫酸的试管中，发现产生氢气的速率变化如图所示，试用化学反应与能量变化的关系以及化学反应速率的相关知识解释这种现象。
v(H2)
t0 t1 t2 t/s
t0～t1：____________________
____________________
t1～t2：_____________________
____________________
随着反应的进行，温度升高，反应速率加快。
随着反应的进行，c(H+)降低，反应速率减慢。
一、化学反应的速率
一个化学反应在实际进行时(如化学实验、化工生产等)，反应物是否会按化学方程式中的计量关系完全转变成产物呢？
科学史话：炼铁高炉尾气之谜
高温
高炉炼铁的主要反应：Fe2O3＋3CO == 2Fe＋3CO2
其CO发生的反应是：C＋O2＝CO2、C＋CO2＝2CO
生产中所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算所需的量，而且从高炉炉顶出来的气体中总是含有没有利用的CO气体。
研究化学反应的新视角：化学反应的限度
高
炉
19世纪下半叶，法国科学家勒夏特列才将谜底揭开：C＋CO2 2CO是一个可逆反应。
后来的研究证明，在高炉中Fe2O3和CO反应也不能全部转化为 Fe 和 CO2。
科学研究表明，很多化学反应都具有可逆性，即正向反应和逆向反应在同时进行。只是可逆的程度有所不同且差异很大。
科学史话：炼铁高炉尾气之谜
研究化学反应的新视角：化学反应的限度
一、可逆反应
1、定义：
2、特点：
在同一条件下，既能向正方向进行，同时又能向逆反应方向进行的反应，叫做可逆反应。
(1)普遍性:
(2)同条件:
(3)同时性:
(4)共存性:
大多数的化学反应都是可逆反应
正、逆反应是在同一条件下进行的
正、逆反应同时进行
反应物和生成物共存
二、化学反应的限度
一、可逆反应
3、常见的可逆反应
NH3 ＋ H2O NH3·H2O
2SO2 ＋ O2 2SO3
N2 ＋ 3H2 2NH3
Cl2 ＋ H2O HClO ＋ HCl
Cr2O72 (橙色) ＋ H2O 2CrO42 (黄色) ＋ 2H＋
二、化学反应的限度
练、某学习小组为了证明2Fe3＋＋2I 2Fe2＋＋I2 为可逆反应，设计了如下的方案：
取2 ml 0.5 mol/L KI溶液，滴加2 ml 0.1 mol/L的FeCl3溶液，再继续加入2 ml CCl4，充分振荡、静置、分层，再取上清液，滴加KSCN溶液。
(1)该方案中能证明该反应为可逆反应的现象是：
_________________________________________
_________________________________________。
下层溶液呈紫红色，且上清夜中加KSCN后溶液呈血红色。
二、化学反应的限度
(2)有同学认为该方案不够严密，即使该反应不是可逆反应也可能出现上述现象，原因是：__________________________
______________________________。
振荡过程中，溶液中Fe2+可被空气中的氧气氧化成Fe3+
练、某学习小组为了证明2Fe3＋＋2I 2Fe2＋＋I2 为可逆反应，设计了如下的方案：
二、化学反应的限度
二、化学反应的限度
(1)化学平衡状态的建立
以CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)为例：在一定温度下，将0.1mol CO(g)0.1molH2O(g)通入1L密闭容器中。
开始时
c(生成物)＝0，v逆＝0
c(反应物)最大，v正最大
进行中
c(生成物)逐渐增大，v逆逐渐增大
c(反应物)逐渐减小，v正逐渐减小
平衡时
v正＝v逆≠0
c(反应物)、 c(生成物)均不变
二、化学反应的限度
v
0
t
(2)化学平衡建立过程中化学反应速率的变化图像
v正
v逆
t1
v正＝v逆
以CO为例：
v正
v逆
(消耗)
(生成)
＝
即：指某种物质的消耗速率等于其生成速率
化学平衡状态
二、化学反应的限度
(3)化学平衡状态的概念：
一定条件下的可逆反应中，当反应进行到一定程度时，正反应速率与逆反应速率相等，反应物浓度和生成物浓度都不再改变，达到一种表面静止的状态。称为化学平衡状态，简称化学平衡。
前提(适用范围):
内在本质:
外在标志:
可逆反应
v正＝v逆≠0
各组分的浓度保持不变
说明：化学平衡状态是可逆反应在一定条件下所能达到的或完成的最大程度，即该反应的限度。
二、化学反应的限度
建立化学平衡的反应是可逆反应
同一物质正反应速率和逆反应速率相等(即v正＝v逆)
达到平衡状态时，反应并没有停止(即v正＝v逆≠0)
平衡体系中各组分的含量(c、体积分数等)保存一定
任一化学平衡状态均是暂时的、相对的、有条件的。条件改变时，如果正、逆反应速率不再相等，化学平衡将发生改变(平衡发生移动)。
(4)化学平衡状态的特征
逆:
等:
动:
定:
变:
二、化学反应的限度
思考：如何判断可逆反应是否已达到平衡状态？
分析：从化学平衡的概念入手
化学平衡的标志
(1)正反应速率与逆反应速率相等
(2)反应物浓度和生成物浓度都不再改变
等
定
化学平衡强调的两个方面：
二、化学反应的限度
三、化学平衡的判断
(1)动态标志: v正＝v逆≠0
①同种物质:
②不同物质:
必须标明是“异向”的反应速率关系
同一物质的生成速率等于消耗速率
(2)静态标志：各种“量”不变
①各物质的质量、物质的量或浓度保持不变
如：aA(g)＋bB(g) cC(g)＋dD(g)，
当v正(A) : v逆(B)＝ 时，反应达到平衡状态
a : b
二、化学反应的限度
②各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数、体积分数)不变。
(2)静态标志：各种“量”不变
①各物质的质量、物质的量或浓度保持不变
③温度、压强、颜色保持不变
判断可逆反应是否达到化学平衡状态的方法
—— 异向相等、变量不变
二、化学反应的限度
(3)综合分析
举例 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 状态
混物体系中合各组分的含量 各物质的质量或 各物质的质量分数一定
各气体的体积或体积分数一定
总物质的量、总压强一定
平衡
平衡
不一定平衡
m + n ≠ p + q (非等体反应) 平衡
m + n＝p + q (等体反应) 不平衡
三、化学平衡的判断——异向相等、变量不变
二、化学反应的限度
举例 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 状态
正逆反应 速率关系 在单位时间内消耗了m molA，同时生成m molA，即v正=v逆
在单位时间内消耗了 n molB, 同时生成 p molC
vA : vB : vC : vD = m : n : p : q, v正不一定等于v逆
在单位时间内生成了 n molB， 同时消耗了 q molD
(续表)
平衡
不一定平衡
不一定平衡
不一定平衡
二、化学反应的限度
举例 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 状态
混合气体的平均相对分子质量() 一定，当m+n≠p+q时
一定，当m+n＝p+q时
温度 体系温度一定(假设体系与环境无能量交换)
密度 密度一定
颜色 含有有色物质的体系 颜色不再变化
(续表)
平衡
不一定平衡
平衡
不一定平衡
平衡
二、化学反应的限度
练、下列的说法中可以证明反应: H2(g) +I2(g) 2HI(g)
已达平衡状态的是________
(1)单位时间内生成n molH2的同时生成n mol HI；
(2)一个H H键断裂的同时，有两个H I键断裂；
(3)质量分数：w(HI) = w(I2)；
(4) c(HI) : c(H2) : c(I2) = 2 : 1 : 1；
(5)温度和体积一定时，容器内压强不再变化；
(6)条件一定，混合气体的平均相对分子质量不再变化；
(7)温度和压强一定时，混合气体的颜色不再发生变化；
(8)温度和压强一定时，混合气体的密度不再变化。
(2)、(7)
二、化学反应的限度
练、在一定温度下密闭容器中进行的反应2SO2+O2 2SO3
下列说法中能说明已经达到化学平衡的是( )
①2v(O2)生成＝v(SO2)消耗
②SO2、O2、SO3的浓度之比为 2∶1∶2
③单位时间内消耗 1 mol O2 ，同时生成 2 mol SO3
④混合气体的压强不变。
A. ①④ B. ②③ C. ①②③④ D. ①③④
A
练、判断：对于可逆反应
NH2COONH4(s) 2NH3(g)＋CO2(g)，当NH3的体积分数保持不变时，该反应达到化学平衡状态。
二、化学反应的限度
1、控制反应条件的意义
(1)促进有利的化学反应
(2)抑制有害的化学反应
提高反应速率
提高原料的利用率
降低反应速率
控制副反应的发生
减少甚至消除有害物质的产生
三、化学反应条件的控制
2、控制反应条件的基本措施
通过改变影响化学反应速率的外界因素(温度、浓度、压强等)，可以调控反应速率、改变可逆反应的限度，进而提高反应转化率。
3、化工生产控制反应条件的原则
如：N2(g)＋H2(g) 2NH3(g)
原则：考虑控制反应条件的成本和实际可行性
选择：400~500oC、 10~30MPa
三、化学反应条件的控制
4、案例分析：“提高煤的燃烧效率”
(1)煤的状态：
(4)热量的利用：
(2)空气用量：
(3)炉膛温度的材料：
煤研得越细，与空气中氧气的接触面积越大，燃烧越充分，反应速率越大。
适量的空气有利于煤的燃烧，过多的空气会带走大量的热量；少量的空气会使煤燃烧不充分
采用隔热的耐高温材料
废气中的热量可用于供暖和发电等
三、化学反应条件的控制

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